船用柴油内燃机排气净化装置的设计与研究

陆倩楠 史良方

摘 要：海上航行的船舶柴油机有限制排防污染的要求，随着对海洋生态环境要求的日益严格，今后国际上越来越多的地区会对船舶柴油机尾气排放提出控制。2009年9月，我国公布《防止船舶污染海洋法》，并自2010年3月1日起施行与国际船用柴油机污染物排放相比，我国的船用柴油机排放标准较为宽松。如今国际高排放标准已经生效，面对这个巨大的挑战，本文提出了一种船用柴油内燃机排气净化的装置，结合选择性催化还原方法、自主开发应用SCR系统等等，以面对海上环保问题。

关键词：船用柴油；内燃机；排气净化；SCR系统；环保

1 前言

柴油机兼具经济性与良好的动力，为船舶最普遍使用的动力装置，在船舶上得到了广泛应用。然而，由于船用柴油机尾气中PM（颗粒物包括碳粒、重碳氢化合物、硫酸盐、油气、水汽及灰分等），CO，NOx，SO2，HC（碳氢化合物）等物质的排放，其中，HC，NOx可在适宜的条件下产生毒性强烈的光化学烟雾；NOx和SO2易溶于水形成酸雨；CO对人体有毒性作用。可见，船用柴油机尾气中的各类物质会对人类生存环境造成很大的污染与破坏。

随着人们对环境质量关注度的日益提升，大力发展研究柴油机尾气净化技术，是未来大型船用柴油机技术发展的必然趋势。因此开展船用柴油机尾气控制与净化措施的研究，具有重要的意义。

2 功能简介

柴油机尾气的控制方法主要包括机内控制和尾气净化两类。机内控制主要通过采取相应措施抑制柴油机尾气中有害物质的生成，尾气净化指采取相应技术将尾气中已生成的NOx和颗粒物除去。利用选择性催化还原方法，其工作原理是在催化剂（V2O5、WO3、TiO2的复合物）的作用下，在一定温度下（大于300℃），以氨或尿素为还原剂选择性地与废气中的NOx反应，生成无害的氮气和水，从而达到降低柴油机尾气中NOx含量的目的。SCR系统包括催化反应器、尿素存贮器、喷氨系统、NOx分析单元装置及控制单元组成等。

3 “净化装置”的主要结构

4 “净化装置”的基本原理

（1）废气再循环系统废气再循环系统（Exhaust Gas Recirculation，EGR）的工作原理为：将定量废气与新鲜空气共同引入燃烧室参与燃烧反应；废气的引入增加了反应所需的热容量，同时由于废气造成氧气浓度起到稀释降低的作用，从而降低最高燃烧温度，从而抑制了NOx的产生。柴油机燃油雾化效果越好，燃烧就越充分，产生的NOx和颗粒物就越少。共轨燃油喷射技术（CRI）采用电子控制系统，允许燃油喷射压力随实际工况改变，使得燃油燃烧更充分、机械效率更高、尾气更清洁。

（2）选择性催化还原技术（SCR）Silencer Reagent Feed Injection Module Catalyst Housing Air Feed TierⅢ标准相当于在TierⅡ基础上NOx降低75%，采用选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术是目前最有效，也是实现TierⅢ标准的唯一方法。其工作原理是在催化剂（V2O5、WO3、TiO2的复合物）的作用下，在一定温度下（大于300℃），以氨或尿素为还原剂选择性地与废气中的NOx反应，生成无害的氮气和水，从而达到降低柴油机尾气中NOx含量的目的。

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H20

经过这道程序处理后的废气中约有70%～80%的NOx 被吸收，从而到达清洁排放、完全满足IMO第三阶段废气排放的要求。

一个典型的SCR 系统的主要部件有转化炉、尿素供给系统、监测单元和控制单元等，如图所示。

5 “净化装置”的制作方法

（1）装置引入新鲜空气

將定量废气与新鲜空气共同引入燃烧室参与燃烧反应；废气的引入增加了反应所需的热容量，同时由于废气造成氧气浓度起到稀释降低的作用，从而降低最高燃烧温度，从而抑制了NOx的产生。

（2）装置引入选择性催化还原方法（SCR）

是目前最有效，也是实现TierⅢ标准的唯一方法。其工作原理是在催化剂（V2O5、WO3、TiO2的复合物）的作用下，在一定温度下（大于300℃），以氨或尿素为还原剂选择性地与废气中的NOx反应，生成无害的氮气和水，从而达到降低柴油机尾气中NOx含量的目的。

（3）装置自主开发应用SCR系统

（4）装置使用柴油机尾气处理液

它是一种SCR技术，用来减少柴油车尾气中的氮氧化物污染的液体。

（5）装置安装电子控制单元

控制柴油发动机尾气排放中氮氧化合物NOX应用电子控制单元，氮氧化合物NOX传感器，尿素喷射单元，尿素箱及其相关管路等技术，并在排气管路中封装好的涂覆了选择性催化剂的载体。

（6）装置精确控制尿素喷射量

通过安装在涂覆了选择性催化还原剂的载体前的氮氧化合物NOX传感器测得排气中的氮氧化合物的浓度，并反馈给电子控制单元，计算出所需要的尿素喷射量，并通过尿素喷射单元进行喷射与现有的技术相比，通过氮氧化合物NOX传感器反馈可以真实的反映在不同的车况下发动机的排放情况，进而精确控制尿素喷射量，而不是仅通过发动机标定的方式确定尿素喷射量，大大提高了控制精度，使柴油发动机尾气排放中氮氧化合物NOX得到更有效的降低。直时处理氮氧化物。解决前处理治本，后处理治标。

6 “智能窗”的使用说明

（1）安装好后，设备处于待机状态；

（2）当定期需要进行对清洁。

7 相关拓展

随着船用柴油机排放标准的提高，各国均在积极开发可应用的SCR系统。德国、芬兰、美国、日本等，先进造船国家在20世纪80年代末就开始NOX SCR系统的研发工作，实现了该系统的全自动化监控和管理。德国西门子公司研制的SCR装置由氮氧还原系统、检测与控制系统两部分组成。

研究数据表明，该装置对柴油机主机影响不大，NOx的排放SCR率由13g/kW·h降到2.04g/kW·h，满足IMO的要求，满足欧洲Ⅱ号排放标准（小于7g/kW·h）。美国RJM公司研发的SCR装置主要由尿素水溶液贮存柜、供给泵、滤清器、检测控制器及喷射器等组成，其核心部分是ARIS2000还原反应剂喷射系统。2010年，瓦锡兰集团与ABB公司联合瑞士HugEngineering公司研发出了比传统系统体积小80%的紧凑型SCR系统。2011年3月，MAN公司首次在6S46MC-C8型船用低速柴油机上安装了其研发的紧凑型SCR系统。日本SantaVista轮在2011年首次安装了SCR装置，满足TierⅢNOx的排放要求。2011年7月，韩国现代重工成功研发出SCR系统，并通过韩国船级社认证。

反观国内情况，目前我国对船用SCR系统的研究尚处于起步阶段。随着人们对环境质量关注度的日益提升，大力发展研究柴油机尾气净化技术，是未来大型船用柴油机技术发展的必然趋势。因此开展船用柴油机尾气控制与净化措施的研究，具有重要的意義。

参考文献

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（作者单位：浙江省象山中学）